[论文解读] Induced Magnetic Two-dimensionality by Hole Doping in Superconducting Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$

Siheon Ryee, Hongkee Yoon+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2019

Theoretical and Computational Physics被引用 1

一句话总结

本研究采用LDA+DMFT和磁响应计算，表明在Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$中，空穴掺杂诱导出二维磁关联，其峰值出现在δ ≈ 0.25处。尽管未掺杂态表现出费米液体行为，但随着空穴浓度增加，关联强度呈拱形趋势增强，随后抑制面外磁相互作用，从而增强二维特性。

ABSTRACT

To understand the superconductivity recently discovered in Nd$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$, we carried out LDA+DMFT (local density approximation plus dynamical mean-field theory) and magnetic force response calculations. The on-site correlation in Ni-$3d$ orbitals causes notable changes in the electronic structure. The calculated temperature-dependent susceptibility exhibits the Curie-Weiss behavior, indicating the localized character of its moment. From the low-frequency behavior of self-energy, we conclude that the undoped phase of this nickelate is Fermi-liquid-like contrary to cuprates. Interestingly, the estimated correlation strength by means of the inverse of quasiparticle weight is found to increase and then decrease as a function of hole concentration, forming a dome-like shape. Another finding is that magnetic interactions in this material become two-dimensional by hole doping. While the undoped NdNiO$_2$ has the sizable out-of-plane interaction, hole dopings strongly suppress it. This two-dimensionality is maximized at the hole concentration $\delta\approx0.25$. Further analysis as well as the implications of our findings are presented.

研究动机与目标

• 理解Nd$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$中高温超导性的电子与磁性起源。
• 研究空穴掺杂如何改变镍氧化物中的电子关联与磁相互作用。
• 确定磁响应是否随掺杂演化为二维特性，如铜氧化物中所见。
• 阐明未掺杂态的本质，特别是其费米液体行为与强关联效应之间的关系。

提出的方法

• 采用LDA+DMFT方法精确处理Ni-3d轨道中的强电子关联。
• 计算温度依赖的磁化率，以探测局域磁矩行为。
• 分析低频自能，评估准粒子相干性与费米液体特性。
• 追踪空穴掺杂下平面内与面外方向磁相互作用的演化。
• 利用准粒子权重的倒数量化关联强度随空穴浓度的变化。
• 对磁力响应进行详细分析，以评估自旋涨落的维度特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 空穴掺杂如何影响NdNiO2中的磁维度特性？
• RQ2 未掺杂NdNiO2态的本质是什么——费米液体还是强关联态？
• RQ3 Ni-3d电子的关联强度是否随空穴浓度呈拱形依赖？
• RQ4 随着空穴浓度增加，面外磁相互作用如何演化？
• RQ5 在δ ≈ 0.25处，磁响应中增强的二维特性的起源是什么？

主要发现

• 未掺杂的NdNiO2表现出费米液体行为，这由低频自能所指示，与铜氧化物中通常观察到的强关联行为相反。
• 关联强度（通过准粒子权重的倒数测量）随空穴浓度增加先上升至最大值后下降，形成拱形曲线。
• 磁化率符合居里-外斯行为，证实了体系中磁矩的局域特性。
• 在未掺杂相中，面外磁相互作用显著，但随空穴掺杂被强烈抑制。
• 在空穴浓度δ ≈ 0.25时，磁相互作用达到最大二维特性，表明平面内自旋涨落显著增强。
• 掺杂导致面外耦合被抑制，从而显著增强了磁响应中的二维特性。